CN102412713A - 切换式电源供应器及其控制电路与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种切换式电源供应器及其控制电路与控制方法，该电源供应器包含一功率级，受一驱动电路所输出的驱动电压所驱动，本发明侦测输入电流并产生一输入电流侦测讯号，并根据该输入电流侦测讯号调整该驱动电路的操作电压。

Description

切换式电源供应器及其控制电路与控制方法

技术领域

本发明涉及一种切换式电源供应器及其控制电路与控制方法，特别是指一种利用侦测输入电流，以调整PWM(pulse width modulation，脉宽调变)讯号的切换式电源供应器及其控制电路与控制方法。

背景技术

图1为现有技术的切换式电源供应器示意图，如图所示，PWM控制器11输出PWM讯号，通过驱动电路15控制功率级12中至少一个功率晶体管，以将输入电压Vin转换为输出电压Vout，其中驱动电路15输出的驱动讯号的高位准由供应给驱动电路15的操作电压Vd所决定。回授电路13产生与输出电压Vout相关的回授讯号并将此回授讯号输入PWM控制器11，以产生PWM讯号。功率级12可为同步或异步的降压型、升压型、反压型、或升降压型功率转换电路，如图2A-2J所示。

当负载电路处于轻载状况，亦即其所需要的电流量较低时，若仍以正常方式切换功率晶体管，将会造成较大的功率耗损(包括切换损失与传导损失)，因此现有技术提出一种动态调整功率晶体管栅极驱动电压的方法，以减少功率耗损。详言之，该现有技术方法侦测输出电流Iout而产生一输出电流侦测讯号，并将此输出电流侦测讯号输入PWM控制器11，当输出电流Iout较低表示负载电路处于轻载状况时，PWM控制器11调降驱动电路15的操作电压Vd，使功率级12中的功率晶体管根据输出端负载的需求适当地操作，而减少功率耗损。

上述侦测输出电流以调降驱动电路15的操作电压Vd的现有技术，可参照美国专利案第7,265,601号、第7,345,463号、以及第7,615,940号。

但是，当切换式电源供应器具有多相功率级与对应的多个PWM控制器时，因有多路输出电流之故，要取得输出电流侦测讯号就变得非常复杂，在此需求下，往往造成电路的面积变大，处理讯号的程序也变得复杂。

有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种利用侦测输入电流，以调整PWM讯号的电压，使得功率晶体管的操作最佳化的切换式电源供应器及其控制电路与控制方法。

发明内容

本发明目的之一在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种切换式电源供应器。

本发明的另一目的在于，提出一种切换式电源供应器的控制电路。

本发明的又一目的在于，提出一种切换式电源供应器的控制方法。

为达上述目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种切换式电源供应器，包含：驱动电路，其接收一PWM讯号而产生一驱动讯号，该驱动电路根据一操作电压而决定该驱动讯号的高位准；功率级，根据该驱动讯号，切换至少一个功率晶体管以将输入电压转换为输出电压；输入电流侦测电路，耦接于该功率级与输入电压之间，用以侦测输入电流并产生一输入电流侦测讯号；回授电路，根据该输出电压产生一回授讯号；以及PWM控制器，根据该回授讯号以产生该PWM讯号，并根据该输入电流侦测讯号而调整该操作电压。

就另一个观点言，本发明提供了一种切换式电源供应器控制电路，其产生一PWM讯号，通过一驱动电路切换一功率级中至少一个功率晶体管，以将输入电压转换为输出电压，其中该驱动电路根据一操作电压而决定该驱动电路输出的驱动讯号的高位准，所述切换式电源供应器控制电路包含：输入电流感测电路，耦接于该功率级与输入电压之间，用以侦测输入电流并产生一输入电流侦测讯号；以及PWM控制器，根据与输出电压相关的一回授讯号而产生上述PWM讯号，并根据该输入电流侦测讯号而调整上述操作电压。

上述切换式电源供应器或切换式电源供应器控制电路中，该PWM控制器可包括：PWM讯号产生器，根据该回授讯号产生该PWM讯号；以及驱动电压调整电路，与输入电流侦测电路耦接，根据该输入电流侦测讯号而产生该操作电压。

驱动电压调整电路中可包括一个能输出两种以上不同电压的电路，例如选择电路、可改变参考电压的线性稳压电路、或可改变倍数的可变倍数电荷泵。

上述切换式电源供应器可为多相切换式电源供应器。

就再另一个观点言，本发明提供了一种切换式电源供应器控制方法，该切换式电源供应器根据一PWM讯号，通过一驱动电路切换一功率级中至少一个功率晶体管，以将输入电压转换为输出电压，并根据该输出电压产生一回授讯号，其中该驱动电路根据一操作电压而决定该驱动电路输出的驱动讯号的高位准，该切换式电源供应器控制方法包含：根据一输入电流产生一输入电流侦测讯号；根据该回授讯号以产生该PWM讯号；以及根据该输入电流侦测讯号调整该操作电压。

上述切换式电源供应器控制方法中，该根据输入电流侦测讯号调整该PWM讯号的步骤可包括：将该输入电流侦测讯号与一参考电压相比较；以及根据该比较器的比较结果，决定该操作电压、或决定一线性稳压电路的参考电压、或决定一可变倍数电荷泵的倍数。

下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1显示现有技术的切换式电源供应器示意图；

图2A-2J标出同步或异步的降压型、升压型、反压型、或升降压型转换电路；

图3显示本发明基本架构的一个实施例；

图4显示本发明的另一个实施例；

图5显示本发明的一个更具体实施例；

图6举例示出在不同的驱动电压下，其输入电流的转换效率也有所不同；

图7与图8显示驱动电压调整电路112的另两个实施例；

图9显示本发明应用于多相切换式电源供应器的实施例。

图中符号说明

11                       PWM控制器

111                      PWM讯号产生器

1111                     误差放大器

1112                     比较器

112                      驱动电压调整电路

1121                     比较器

1122                     选择电路

1123                     误差放大器

1124                     晶体管

1125                     可变倍数电荷泵

12                       功率级

121                      上桥功率晶体管

122                      下桥功率晶体管

13                           回授电路

14                           输入电流侦测电路

141                          误差放大器

15                           驱动电路

151                          上桥驱动闸

152                          下桥驱动闸

Iin                          输入电流

Iout                         输出电流

L                            电感

R1，R2，R3，R4，R5           电阻

V1，V2                       电压讯号

Vin                          输入电压

Vd                           操作电压

Vout                         输出电压

Vref1，Vref2                 参考电压

具体实施方式

请参阅图3，显示本发明基本架构的一个实施例。如图所示，PWM控制器11输出PWM讯号，通过驱动电路15控制功率级12中至少一个功率晶体管，以将输入电压Vin转换为输出电压Vout，其中驱动电路15输出的驱动讯号的高位准由其操作电压Vd所决定。回授电路13产生与输出电压Vout相关的回授讯号并将此回授讯号输入PWM控制器11，以产生PWM讯号。功率级12可为但不限于同步或异步的降压型、升压型、反压型、或升降压型功率转换电路，如图2A-2J所示。本发明与现有技术不同的是，切换式电源供应器利用输入电流侦测电路14侦测输入电流Iin而产生一输入电流侦测讯号，并将此输入电流侦测讯号输入PWM控制器11；因应于该输入电流侦测讯号，PWM控制器11调整驱动电路15的操作电压Vd，使功率级12中的功率晶体管根据适当地操作，以减少功率耗损。当负载为轻载时，输出电流下降，势必反应于输入电流Iin的变化上，因此本发明侦测输入电流Iin，同样可达成动态调整操作电压Vd以减少功率耗损的效果，且本发明的优点是在多相切换式电源供应器中，可用较简单的硬件电路来实现。

图4显示本发明架构的一个较具体实施例。如图所示，PWM控制器11包含PWM讯号产生器111，与回授电路耦接，根据该回授讯号而产生PWM讯号，传送给驱动电路15；驱动电压调整电路112，与输入电流侦测电路14耦接，根据该输入电流侦测讯号而动态调整操作电压Vd。在本实施例中，驱动电压调整电路112接收输入电压Vin而转换产生操作电压Vd，其中输入电压Vin与操作电压Vd间的转换比率由输入电流侦测讯号决定。

图5显示本发明电源供应器的更具体实施例。如图所示，功率级12例如但不限于为如图2A所示的降压型转换电路，其包含上桥功率晶体管121、下桥功率晶体管122、以及电感L。输入功率与输出功率的关系式为：

Vin*Iin＝Vout*Iout*η

其中，η为转换效率，由此关系式可知，输入电流亦可以反映负载的大小，因而可利用侦测输入电流来调整功率晶体管的栅极驱动电压，达成功率晶体管操作最佳化的目的。

请继续参阅图5，回授电路13包含两串接电阻R1与R2；R1的一端与输出电压Vout耦接，R2的一端耦接至接地电位，回授讯号撷取自电阻R2上的分压。输入电流侦测电路14包含电阻R3与误差放大器141，以侦测输入电流，并产生输入电流侦测讯号。

PWM控制器11包含PWM讯号产生器111、与驱动电压调整电路112。如图所示，PWM讯号产生器111包含误差放大器1111及比较器1112。误差放大器1111与回授电路13耦接以接收回授讯号，并将回授讯号与参考讯号Vref1比较，将结果输入比较器1112。比较器1112接收比较器1111的比较结果，并将比较器1111的比较结果与一斜坡讯号比较，并产生PWM讯号。

驱动电压调整电路112包含比较器1121、选择电路1122、误差放大器1123、晶体管1124、和电阻R4及R5，其中误差放大器1123、晶体管1124、电阻R4与R5构成线性稳压电路，产生操作电压Vd输出给驱动电路15。驱动电压调整电路112中，比较器1121接收由输入电流侦测电路14所产生的输入电流侦测讯号，并比较输入电流侦测讯号与参考讯号Vref2选择电路1122根据比较器1121的比较结果，选择将电压讯号V1或V2输入误差放大器1123，作为参考电压。误差放大器1123根据电阻R5上的跨压与参考电压V1或V2的比较结果，控制晶体管1124的控制端，而在线性稳压电路的输出节点产生不同的操作电压Vd。此操作电压Vd被供应给驱动电路15中的上桥驱动闸151与下桥驱动闸152，以分别驱动上桥功率晶体管121与下桥功率晶体管122。如功率级12中的功率晶体管数目不同(例如异步降压型功率转换电路仅具一个功率晶体管)，则驱动电路15中的驱动闸数目自亦宜对应而有所改变。

图6举例示出在不同的驱动电压下，其输入电流的转换效率也有所不同。在本例中，当输入电流低于1.1A时，将驱动电压由12V切换为8V将会得到较佳的转换效率。利用本发明则可达成此目的。

以上实施例以输入电流侦测讯号来决定线性稳压电路的参考电压，并以线性稳压电路的输出来作为操作电压Vd，且线性稳压电路的稳压输入电压为Vin。但当然，线性稳压电路的稳压输入电压不必须为Vin，而可为任何电压；事实上，驱动电压调整电路112仅需能够供应两种不同的电压作为操作电压Vd，并可根据输入电流侦测讯号来切换操作电压Vd，即可。举例而言，驱动电压调整电路112可如图7所示，包含比较器1121与选择电路1122，其中选择电路1122根据比较器1121的输出，而决定以电压讯号V1或V2作为操作电压Vd。再举例而言，驱动电压调整电路112可如图8所示，包含比较器1121与可变倍数电荷泵1125，其中选择电路1122根据比较器1121的输出，而决定可变倍数电荷泵1125的倍数(电荷泵输出电压与电荷泵输入电压的转换比率，不必须大于1也不必须为整数)，并以可变倍数电荷泵1125的输出来作为操作电压Vd。本领域技术人员当可在本发明所揭示的精神下，思及驱动电压调整电路112的其它变化方式，均应包含在本发明的范围之内。

图9显示本发明应用于多相切换式电源供应器的一个实施例。如图所示，电源供应器包含多个PWM控制器11与多个对应的功率级12。在此实施例中，将输入电流侦测电路14所产生的输入电流侦测讯号分别输入各PWM控制器11即可。相较于需要多组输出电流侦测电路的现有技术，应用本发明可简化电路设计的复杂度且可节省电路的面积。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。例如，在所示各实施例电路中，可插入不影响讯号主要意义的元件，如其它开关等；又例如误差放大器或比较器的输入端正负可以互换，仅需对应修正电路的讯号处理方式即可。凡此种种，皆可根据本发明的教示类推而得，因此，本发明的范围应涵盖上述及其它所有等效变化。

Claims (15)

1.一种切换式电源供应器，其特征在于，包含：

驱动电路，其接收一PWM讯号而产生一驱动讯号，该驱动电路根据一操作电压而决定该驱动讯号的高位准；

功率级，根据该驱动讯号，切换至少一个功率晶体管以将输入电压转换为输出电压；

输入电流侦测电路，耦接于该功率级与输入电压之间，用以侦测输入电流并产生一输入电流侦测讯号；

回授电路，根据该输出电压产生一回授讯号；以及

PWM控制器，根据该回授讯号以产生该PWM讯号，并根据该输入电流侦测讯号而调整该操作电压。

2.如权利要求1所述的切换式电源供应器，其中，该PWM控制器包括：

PWM讯号产生器，与回授电路耦接，根据该回授讯号产生该PWM讯号；以及

驱动电压调整电路，与输入电流侦测电路耦接，根据该输入电流侦测讯号而产生该操作电压。

3.如权利要求2所述的切换式电源供应器，其中，该驱动电压调整电路包含：

比较器，将该输入电流侦测讯号与一参考电压相比较；以及

选择电路，根据该比较器的比较结果，决定驱动电压调整电路所产生的操作电压。

4.如权利要求2所述的切换式电源供应器，其中，该驱动电压调整电路包含：

比较器，将该输入电流侦测讯号与第一参考电压相比较；

线性稳压电路，其接收一稳压输入电压，并根据第二参考电压，而转换该稳压输入电压产生该操作电压；以及

选择电路，根据该比较器的比较结果，决定该第二参考电压。

5.如权利要求2所述的切换式电源供应器，其中，该驱动电压调整电路包含：

比较器，将该输入电流侦测讯号与一参考电压相比较；以及

可变倍数电荷泵电路，其接收一电荷泵输入电压并产生一电荷泵输出电压，其中该电荷泵输出电压与电荷泵输入电压的比率根据该比较器的比较结果而决定。

6.如权利要求1所述的切换式电源供应器，其中，该切换式电源供应器为多相切换式电源供应器，包含多个驱动电路、多个功率级、及多个PWM控制器。

7.一种切换式电源供应器控制电路，其特征在于，其产生一PWM讯号，通过一驱动电路切换一功率级中至少一个功率晶体管，以将输入电压转换为输出电压，其中该驱动电路根据一操作电压而决定该驱动电路输出的驱动讯号的高位准，所述切换式电源供应器控制电路包含：

输入电流感测电路，耦接于该功率级与输入电压之间，用以侦测输入电流并产生一输入电流侦测讯号；以及

PWM控制器，根据与输出电压相关的一回授讯号而产生上述PWM讯号，并根据该输入电流侦测讯号而调整上述操作电压。

8.如权利要求7所述的切换式电源供应器控制电路，其中，该PWM控制器包含：

PWM讯号产生器，根据该回授讯号产生该PWM讯号；

驱动电压调整电路，与输入电流侦测电路耦接，根据该输入电流侦测讯号而产生该操作电压。

9.如权利要求8所述的切换式电源供应器控制电路，其中，该驱动电压调整电路包含：

比较器，将该输入电流侦测讯号与一参考电压相比较；以及

选择电路，根据该比较器的比较结果，决定驱动电压调整电路所产生的操作电压。

10.如权利要求8所述的切换式电源供应器控制电路，其中，该驱动电压调整电路包含：

比较器，将该输入电流侦测讯号与第一参考电压相比较；

线性稳压电路，其接收一稳压输入电压，并根据第二参考电压，而转换该稳压输入电压产生该操作电压；以及

选择电路，根据该比较器的比较结果，决定该第二参考电压。

11.如权利要求8所述的切换式电源供应器控制电路，其中，该驱动电压调整电路包含：

比较器，将该输入电流侦测讯号与一参考电压相比较；以及

可变倍数电荷泵电路，其接收一电荷泵输入电压并产生一电荷泵输出电压，其中该电荷泵输出电压与电荷泵输入电压的比率系根据该比较器的比较结果而决定。

12.一种切换式电源供应器控制方法，其特征在于，该切换式电源供应器根据一PWM讯号，通过一驱动电路切换一功率级中至少一个功率晶体管，以将输入电压转换为输出电压，并根据该输出电压产生一回授讯号，其中该驱动电路根据一操作电压而决定该驱动电路输出的驱动讯号的高位准，该切换式电源供应器控制方法包含：

根据一输入电流产生一输入电流侦测讯号；

根据该回授讯号以产生该PWM讯号；以及

根据该输入电流侦测讯号调整该操作电压。

13.如权利要求12所述的切换式电源供应器控制方法，其中，该根据输入电流侦测讯号调整该操作电压的步骤包括：

将该输入电流侦测讯号与一参考电压相比较；以及

根据该比较器的比较结果，选择该操作电压。

14.如权利要求12所述的切换式电源供应器控制方法，其中，该根据该输入电流侦测讯号以产生一调整讯号的步骤包括：

提供一线性稳压电路，其接收一稳压输入电压，并根据第一参考电压，而转换该稳压输入电压产生该操作电压；以及

将该输入电流侦测讯号与第二参考电压相比较，以决定该第一参考电压。

15.如权利要求12所述的切换式电源供应器控制方法，其中，该根据该输入电流侦测讯号以产生一调整讯号的步骤包括：

提供一可变倍数电荷泵电路，其接收一电荷泵输入电压并产生一电荷泵输出电压；以及

将该输入电流侦测讯号与一参考电压相比较，以决定该电荷泵输出电压与电荷泵输入电压的比率。

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